Вентильно-индукторный электропривод с минимизацией пульсаций электромагнитнитного момента

А.Б. Виноградов

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены математические модели индукторных двигателей, предназначенные для расчета динамических и статических характеристик его работы в составе вентильно-индукторного электропривода с различными схемами силовой части, конструкциями машины и алгоритмами управления. Рассмотрена структура и алгоритмы управления-фазным вентильно-индукторным электроприводом при независимом управлении фазами и 6-фазным приводом с общей точкой включения фаз. Выполнено сравнение различных вариантов построения силовой части вентильно-индукторного привода при различных формах задания фазных токов с характеристиками асинхронного электропривода с векторным управлением, принятого в качестве эквивалента для сравнения. Приведены результаты моделирования.

The switched reluctance drive with minimization of electromagnetic torque ripples.

A. Vinogradov

ANNOTATION

The mathematical models of inductor motor are described for application in dynamic and static calculations of switched reluctance drive with different power circuits, motor construction and control algorithms. The control structure and algorithms are described for m-phase switched reluctance drive with independent control of the motor phases and 6-phase drive with common point connection of phases. The comparison of the switched reluctance drives with different power circuits and reference current waveforms are implemented with characteristics of vector controlled induction motor drive as a sample. The simulation results are presented.

Key words: inductor motor, switched reluctance drive, simulation, control algorithms.

Введение

Известными преимуществами индукторных двигателей (ИД) перед асинхронными и синхронными машинами, предназначенными для работы в составе регулируемого электропривода, являются их более высокая надежность, простота и технологичность конструкции (катушки фаз статора разнесены в пространстве, ротор представляет собой пакет шихтованной стали), повышенный КПД и массо-габаритные показатели, более низкая стоимость в серийном производстве. К недостаткам этих двигателей обычно относят невозможность работать без полупроводникового преобразователя, наличие пульсаций электромагнитного момента и, как следствие, повышенный шум и вибрация двигателя, а также более высокая стоимость полупроводникового преобразователя в электроприводе эквивалентной выходной мощности. Последнее является следствием относительно невысокого коэффициента преобразования энергии, который представляет собой отношение выходной (активной) и входной (полной) энергии ИД. Известно [1], что при допущении о ненасыщенности магнитной системы ИД этот коэффициент стремится к 0.5. Для насыщенных машин он превышает это значение, однако, в реальных условиях всегда остается значительно меньшим, чем номинальное значение КПД. Это объясняется тем, что по принципу действия машины только часть входной энергии преобразуется в механическую, т.е. идет на создание момента. Остальная ее часть идет на намагничивание машины и за вычетом потерь возвращается в источник питания.

Вентильно-индукторный привод (ВИП), способен работать во второй зоне регулирования скорости (скорость выше номинальной) при снижении момента на валу, что является аналогом режима работы частотно-управляемого асинхронного двигателя (АД) с постоянством выходной мощности. Однако, одной из проблем работы ВИП в этом режиме остается значительное увеличение уровня пульсаций электромагнитного момента, что в еще большей степени проявляется при переходе ВИП в генераторный режим работы на скорости, выше номинальной.

В связи с отмеченными особенностями ВИП может эффективно применяться в тех случаях, где его преимущества относительно более распространенных приводов с АД и синхронным двигателем (СД), оказываются наиболее заметными, а именно: в высокоскоростных электроприводах, где двигатели с обмотками и постоянными магнитами на роторе менее надежны; в низкоскоростных электроприводах, где АД неэффективен из-за низкого КПД и , СД слишком дорог, а стоимость преобразователя невелика относительно стоимости двигателя; при работе в тяжелых условиях, в частности, при ударных нагрузках на вал двигателя; при работе в условиях, где принципиальным является минимизация массогабаритных показателей привода, в частности в тяговых электроприводах; в регулируемом электроприводе малой мощности, в частности для бытовой техники.

Данная работа посвящена разработке алгоритмов управления ВИП, обеспечивающих минимизацию пульсаций электромагнитного момента во всех режимах его работы, включая генераторный при скорости выше номинальной. На основе метода математического моделирования выполняется исследование и сопоставительный анализ характеристик ВИП с различными структурами силовой части. Расчет конструкции двигателя и его параметров выполнен в ОАО «НИПТИЭМ» г. Владимир.

Результаты моделирования

Исследования характеристик электропривода проводились методом математического моделирования для схем 3-х фазного и 4-х фазного ВИП с независимым управлением фазами и схемы 6-ти фазного ВИП с общей точкой при синусоидальном и трапециидальном законе изменения токов задания. Расчет ИД был выполнен совместно с ОАО «НИПТИЭМ» под технические требования, предъявляемые к электроприводу четырехосного трамвая с массой вагона при номинальной загрузке: 30 тонн. Сравнение характеристик проводилось по рассмотренным выше критериям. В качестве эквивалента для сравнения использовались характеристики тягового асинхронного электропривода с векторным управлением [8] и двигателем специального исполнения.

Номинальные значения параметров асинхронного электропривода: АД , действующее значение фазного напряжения , выходная мощность , ток статора , скольжение , момент инерции ротора , момент , число пар полюсов; преобразователь частоты: , частота модуляции .

Параметры 3-фазного ВИП 12/8: ток фазы , активное сопротивление фазы , , .

Параметры 4-фазного ВИП 8/6: ток фазы , активное сопротивление фазы , , .

Параметры 6-фазного ВИП 12/10: ток фазы , активное сопротивление фазы , , .

На рис. 6 представлены зависимости среднего значения момента (рис. 6,а) и коэффициента неравномерности момента (рис. 6,б) от скорости ротора для различных вариантов привода, полученные при номинальном значении фазного тока длительного режима работы.

Рис. 6. Зависимости среднего значения и пульсаций момента от скорости для следующих вариантов привода:

1) - 3-фазный ВИП с трапециидальным током задания (координаты угловых точек трапеции: 0, 10, 170, 180 угловых градусов);

2) - 4-фазный ВИП с синусоидальным током задания;

3) - 4-фазный ВИП с трапециидальным током задания (0, 40, 140, 180 угловых градусов);

4) - 4-фазный ВИП с трапециидальным током задания (0, 55, 125, 180 угловых градусов);

5) - 6-фазный ВИП с синусоидальным током задания без снижения его амплитуды на скорости выше номинальной;

6) - 6-фазный ВИП с синусоидальным током задания и снижением его амплитуды на скорости выше номинальной;

7) - асинхронный электропривод с векторным управлением.

Для формирования механических характеристик ВИП во второй зоне регулирования скорости вводилось угловое смещение начальной фазы тока задания относительно исходного положения ротора в сторону опережения. Значения углов опережения в угловых градусах, вводимых при формировании предельных характеристик ВИП, приведены в таблице 2. При построении системы управления зависимость угла опережения от скорости аппроксимировалась кусочно-линейной функцией.

Таблица 2. Угловое опережение тока задания относительно положения ротора

Заметим, что пульсации момента определялись при работе привода с разомкнутым контуром скорости, т.е. в контуре формирования тока (момента). При работе привода с замкнутым быстродействующим контуром скорости величина пульсаций момента и скорости существенно ниже, особенно на малых и средних скоростях, за счет приближения формы тока ИД к оптимальной по критерию и ее отклонения от изначально задаваемой в контуре формирования тока. Оптимальная форма фазного тока зависит не только от конструкции ИД, но и от режима его работы (уровня скорости, момента, знака момента). Реальные формы заданного тока могут являться лишь более или менее точными приближениями к оптимальной его форме. Очевидно, что с точки зрения упрощения системы управления, эти приближения не должны быть слишком сложными. В данной работе исследуются приближения в виде синусоиды и трапеции с изменяемыми координатами угловых точек.

Анализ характеристик рассмотренных вариантов построения силовой части и способов формирования токов задания ВИП показывает, что 6-фазный вариант с общей точкой имеет неудовлетворительные характеристики во второй зоне регулирования скорости. Удовлетворительную величину пульсаций момента он обеспечивает при условии полной управляемости токами, т.е. при наличии симметрии фазных токов. При ограниченном напряжении питания условие симметрии токов во второй зоне регулирования скорости может быть обеспечено только за счет резкого снижения амплитуды заданного тока и, как следствие, резкого уменьшения момента и выходной мощности (вариант 6 на рис. 6). Областью применения данной схемы силовой части следует считать приводы с однозоннымрегулированием, имеющие повышенные требования к пульсациям момента. Пульсации момента в первой зоне регулирования скорости для 6-ти фазного ВИП с общей точкой являются одними из наименьших среди рассмотренных вариантов и составляют (8…8.4)%.

Анализ характеристик 4-фазного ВИП показывает, что синусоидальная форма тока задания не является для него оптимальной ни по критерию минимума пульсаций момента, ни по критерию максимального отношения среднего момента к амплитуде фазного тока (). При выборе трапециидальной формы тока задания появляется возможность синтезировать характеристики по выбранным критериям путем изменения положения угловых точек трапеции. Для 4-фазного ВИП характеристики, синтезированные по критериям и , существенно отличаются друг от друга. Характеристики ВИП для варианта 4 соответствуют критерию . Уменьшение пульсаций момента в первой зоне регулирования скорости до (7.8…9)% сопровождается некоторым снижением соотношения . Характеристики ВИП для варианта 3 соответствуют компромиссному соотношению между критериями и . Здесь, при увеличении пульсаций в первой зоне регулирования до уровня (13.4…15)% получено увеличение момента при той же амплитуде фазного тока на 7.7% относительно варианта 4.

Для 3-фазного ВИП характеристики, синтезированные по критериям и , практически совпадают в первой зоне регулирования скорости и немного расходятся во второй. На рис. 6 приведены характеристики 3-фазного ВИП, синтезированные по критерию . Пульсации момента в первой зоне регулирования скорости составляют (11…11.7)%. Они меньше пульсаций 4-фазного ВИП при синусоидальном токе задания и трапециидальном задании, синтезированном по критерию , и немного превышают пульсации 4-фазного ВИП при трапециидальном задании, синтезированном по критерию . При этом пульсации момента 3-фазного ВИП во второй зоне регулирования скорости могут быть немного снижены за счет уменьшения соотношения .

Для корректного сравнения вариантов построения электропривода по амплитудному значению тока фазы все варианты приведем к одинаковой эквивалентной механической характеристике и числу фаз. Эквивалентную механическую характеристику лучше всего выбирать для каждого конкретного случая, исходя из технических требований к приводу со стороны механизма или технологического процесса. В частности, для тягового электропривода четырехосного трамвая примем следующее условие приведения характеристик: механические характеристики будем считать эквивалентными, если равны средние значения момента на интервале скорости от 0 до 233 рад/с, что соответствует типовому режиму разгона трамвая из неподвижного состояния до скорости 40 км/час. 6-фазный ВИП с общей точкой для привода трамвая не пригоден вследствие его неудовлетворительных характеристик при работе во второй зоне регулирования скорости. Примем допущение, что в рассматриваемых диапазонах приведения переменных приведенный ток фазы прямо пропорционален моменту и числу фаз.

С учетом вышесказанного для вариантов 1, 4, 7 построения тягового электропривода были получены следующие амплитудные значения фазных токов, приведенных к механической характеристике 3-фазного ВИП и числу фаз : 224 А, 288 А, 178 А, соответственно. Таким образом, по критерию наиболее предпочтительным оказывается асинхронный электропривод с векторным управлением, далее следует 3-фазный ВИП и затем 4-фазный ВИП.

Исследования генераторных режимов работы ВИП позволили установить, что с помощью синтеза формы сигнала задания фазного тока может быть получен уровень пульсаций электромагнитного момента, соизмеримый с уровнем пульсаций двигательного режима, эквивалентного по частоте и среднему моменту. При этом, способ оптимального по критерию формирования трапеции заданного тока в генераторном режиме отличается от двигательного режима следующими факторами:

1)      Если в двигательном режиме для оптимального формирования трапеции во второй зоне достаточно ввести определенный угол опережения, то в генераторном режиме кроме введения угла опережения нужно корректировать положение двух последних угловых точек трапеции;

2)      В генераторных режимах требуется более сильная коррекция трапеции. Она раньше вступает в действие (на более низких скоростях).

В диапазоне номинальных скоростей (100..300) рад/с приводов средней мощности вентильно-индукторный электропривод уступает асинхронному приводу по критерию . Это является следствием того, что номинальное значение коэффициента преобразования энергии индукторного двигателя существенно ниже номинального коэффициента мощности асинхронной машины. Положение может изменяться в пользу ВИП для других диапазонов скорости и мощности привода, в частности, для низкоскоростных приводов, где коэффициент мощности АД относительно невысок, а также для маломощных приводов, у которых соотношение мало влияет на стоимость преобразователя.

На рис. 7 представлены процессы, полученные в установившихся режимах работы 3-фазного и 6-фазного ВИП с разомкнутым контуром скорости при максимальном значении заданного тока 224 А и 213 А, соответственно. Скорость ротора в обоих случаях равна . Для 3-фазного ВИП (рис. 7,а) приведены токи фаз 1 и 2, моменты, создаваемые каждой фазой, и суммарный электромагнитный момент двигателя. Для 6-фазного ВИП (рис. 7,б) приведены токи фаз 1,2,3, моменты, создаваемые парами фаз, входящих в «стойки» преобразователя , и суммарный электромагнитный момент двигателя.

На рис. 8 показаны переходные процессы разгона 3-фазного и 4-фазного ВИП при работе в замкнутом контуре скорости. Для 3-фазного ВИП (рис. 8,а) приведены ток фазы 1, момент и скорость при разгоне с 1 до 50 рад/с. Для 4-фазного ВИП (рис. 8,б) приведены ток фазы 1, угол опережения , вводимый для работы во второй зоне регулирования скорости, момент и скорость при разгоне с 50 до 400 рад/с.

Рис.7. Токи и моменты ВИП с разомкнутым контуром скорости при : а) 3-фазный ВИП; б) 6-фазный ВИП.

Рис.8. Переходные процессы в ВИП с замкнутым контуром скорости а) разгон 3-фазного ВИП с 1 до 50 рад/с; б) разгон 4-фазного ВИП с 50 до 400 рад/с.

Из анализа представленных диаграмм и других результатов модельных исследований можно сделать следующие выводы. При работе привода с замкнутым контуром скорости пульсации электромагнитного момента значительно ниже пульсаций, получаемых при размыкании контура скорости. В первой зоне регулирования скорости (область постоянного момента при номинальном значении тока фазы) величина медленной составляющей этих пульсаций, которая жестко связана с частотой вращения ротора, не превышает величину пульсаций, вызываемых высокочастотными переключениями релейного контура тока в скользящем режиме слежения за током задания. Частота высокочастотных пульсаций зависит от мгновенных значений фазных индуктивностей ИД, от заданных величин гистерезисов релейного регулятора тока, от принятого алгоритма формирования управляющих воздействий силовыми ключами преобразователя. Так как параметры ИД и алгоритм управления ключами задаются на этапе проектирования привода, то желаемое среднее значение частоты высокочастотных переключений определяется выбором гистерезисов релейного элемента. Для рассмотренных вариантов построения привода средняя частота переключения силовых ключей преобразователя устанавливалась в интервале (4..10) кГц. При переходе во вторую зону регулирования скорости (область уменьшения момента с ростом скорости) пульсации момента несколько возрастают. Для 4-фазного ВИП показаны процессы, полученные при трапециидальной форме заданного тока, синтезированной по критерию . При работе ВИП с замкнутым быстродействующим контуром скорости в линейной области регулятора (например, установившийся участок на рис. 8,а) форма тока фазы приближается к оптимальной по критерию . Эта форма несколько отличается от идеально задаваемой (трапециидальной либо синусоидальной) и зависит от режима работы привода (уровня скорости и нагрузки).

Заключение

1.      Рассмотрены математические модели индукторных двигателей при независимом и зависимом управлении фазами, позволяющие выполнять расчет динамических и статических характеристик двигателя при его работе в составе вентильно-индукторного электропривода с различными схемами силовой части, конструкциями машины и алгоритмами управления.

2.      Рассмотрена структура и алгоритмы управления-фазным вентильно-индукторным электроприводом при независимом управлении фазами и 6-фазным приводом с общей точкой включения фаз.

3.      Произведено сравнение различных вариантов построения силовой части вентильно-индукторного привода при различных формах задания фазных токов с характеристиками асинхронного электропривода с векторным управлением, принятого в качестве эквивалента для сравнения. Сравнение показало:

-         6-фазный ВИП с общей точкой и синусоидальной формой токов задания целесообразно использовать при однозонном регулировании скорости, преимущественно в низкоскоростных электроприводах с повышенным требованием к уровню пульсаций электромагнитного момента.

-         3-фазный ВИП немного уступает 4-фазному по критерию минимума пульсаций момента при работе с разомкнутым контуром скорости, но имеет меньшее амплитудное значение тока фазы, приведенное к эквивалентной механической характеристике и равному числу фаз, что напрямую связано со стоимостью полупроводникового преобразователя.

-         При работе ВИП в замкнутом контуре скорости уровень пульсаций электромагнитного момента в первой зоне регулирования скорости мало отличается от уровня пульсаций асинхронного электропривода с эквивалентным значением частоты переключения силовых ключей преобразователя.

-         В исследованном диапазоне номинальных скоростей и мощности вентильно-индукторный электропривод уступает асинхронному электроприводу по критерию максимального отношения момента к амплитуде тока фазы.

Литература

1.      J.M. Stephenson, M.A. El-Khazendar Saturation in doubly salient reluctance motors, IEE PROCEEDINGS, Vol. 136, Pt. B, No. 1, 1989.

2.      Dunlop G.R. A switched-reluctance motor drive with zero torque ripple and a constant inverter bus current. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Vol. 208, No.1, pp.61-68, 1994.

3.      Wu C-Y, Pollock C. Analysis and reduction of vibration and acoustic noise in switched reluctance drive. IEEE transactions on industry applications, Vol. 31, No.1 1995.

4.      Pollock C., Williams B. Power convertor circuits for switched reluctance motors witw the minimum number of switches, IEE Proceedings, Electr. Power Appl., vol. 137, No. 6, pp. 1034-1047,1991.

5.      Красовский А.Б. Анализ условий формирования постоянства выходной мощности в вентильно-индукторном электроприводе, Электричество, № 2, 2002, с. 36-45.

6.      Красовский А.Б., Бычков М.Г. Исследование пульсаций момента в вентильно-индукторном электроприводе, Электричество, 2001, № 10.

7.      Голландцев Ю.А. Уравнения вентильного индукторно-реактивного двигателя при одиночной коммутации фаз, Электротехника, № 7, 2003, с.45-51.

8.      Виноградов А.Б., Чистосердов В.Л., Сибирцев А.Н. Адаптивная система векторного управления асинхронным электроприводом // Электротехника.- 2003.- №7.- с. 7-17.